論文の概要: Topological input-output theory for directional amplification
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2012.09488v1
- Date: Thu, 17 Dec 2020 10:25:00 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-04-20 08:33:39.442197
- Title: Topological input-output theory for directional amplification
- Title（参考訳）: 方向増幅のためのトポロジカル入力出力理論
- Authors: Tom\'as Ramos, Juan Jos\'e Garc\'ia-Ripoll, and Diego Porras
- Abstract要約: 指向性増幅器として機能するフォトニック駆動散逸格子の入出力関係に対する位相的アプローチを提案する。
方向増幅は量子制限に近づき、利得はシステムサイズとともに指数関数的に増加することを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: We present a topological approach to the input-output relations of photonic
driven-dissipative lattices acting as directional amplifiers. Our theory relies
on a mapping from the optical non-Hermitian coupling matrix to an effective
topological insulator Hamiltonian. This mapping is based on the singular value
decomposition of non-Hermitian coupling matrices, whose inverse matrix
determines the linear input-output response of the system. In topologically
non-trivial regimes, the input-output response of the lattice is dominated by
singular vectors with zero singular values that are the equivalent of
zero-energy states in topological insulators, leading to directional
amplification of a coherent input signal. In such topological amplification
regime, our theoretical framework allows us to fully characterize the
amplification properties of the quantum device such as gain, bandwidth, added
noise, and noise-to-signal ratio. We exemplify our ideas in a one-dimensional
non-reciprocal photonic lattice, for which we derive fully analytical
predictions. We show that the directional amplification is near quantum-limited
with a gain growing exponentially with system size, $N$, while the
noise-to-signal ratio is suppressed as $1/\sqrt{N}$. This points out to
interesting applications of our theory for quantum signal amplification and
single-photon detection.
- Abstract（参考訳）: 指向性増幅器として機能するフォトニック駆動散逸格子の入出力関係に対する位相的アプローチを提案する。
この理論は、光学的非エルミートカップリング行列から有効な位相絶縁体ハミルトニアンへの写像に依存する。
この写像は、逆行列が系の線形入力出力応答を決定する非エルミート結合行列の特異値分解に基づいている。
位相的に非自明なレジームでは、格子の入出力応答は位相絶縁体における零エネルギー状態と同値の特異値を持つ特異ベクトルによって支配され、コヒーレント入力信号の方向増幅に繋がる。
このようなトポロジカル増幅方式では、ゲイン、帯域幅、付加雑音、雑音-信号比などの量子デバイスの増幅特性を完全に特徴付けることができる。
我々は1次元の非相互フォトニック格子でアイデアを例示し、完全な解析的予測を導出する。
方向増幅は量子制限に近く、利得は指数関数的に増加し、システムサイズは$N$となり、ノイズ-信号比は1/\sqrt{N}$として抑制される。
これは、量子信号増幅と単一光子検出に対する我々の理論の興味深い応用を示している。
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